ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΠΗΓΩΝ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΩΝ ΣΕ ΚΛΕΙΣΤΟΥΣ ΧΩΡΟΥΣ, ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΩΝΤΑΣ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ ΤΩΝ ΣΥΝΟΡΙΑΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ (ΒΕΜ)

Abstract

Μετρήσεις της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου που πραγματοποιήθηκαν σε κλειστούς χώρους όπου υπήρχαν συσκευές διαθερμίας μικροκυμάτων αποκάλυψαν μεγάλη ανομοιογένεια του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στον χώρο και στον χρόνο, καθώς επίσης και τιμές αρκετά υψηλότερες από τα διάφορα όρια επικινδυνότητας διεθνών οργανισμών και κρατών. Στη συγκεκριμένη πτυχιακή εργασία κατασκευάζουμε μια μέθοδο προσομοίωσης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που εκπέμπεται από μια πηγή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μέσα σε έναν κλειστό χώρο, κάνοντας χρήση της υπολογιστικής μεθόδου των συνοριακών στοιχείων (BEM), και στη συνέχεια συγκρίνουμε τα αποτελέσματα που προκύπτουν από αυτήν με τις πειραματικές τιμές του άρθρου «Διαθερμία μικροκυμάτων σε μονάδες φυσιοθεραπείας: μια έρευνα στη χωρική και χρονική ανομοιογένεια του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου». Γενικότερα, το θέμα της συγκεκριμένης πτυχιακής εργασίας αναλύεται σε έξι κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο ξεκινάμε με τον ορισμό της ακτινοβολίας και τον καθορισμό των κυριότερων ειδών αυτής, αναλύουμε τις έννοιες του ηλεκτρικού, του μαγνητικού και του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, περιγράφουμε αναλυτικά την έννοια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και του ηλεκτρομαγνητικού κύματος και κατηγοριοποιούμε την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με βάση το μήκος κύματος (στο κενό) ή τη συχνότητα (ηλεκτρομαγνητικό φάσμα), καθώς επίσης και με βάση την ποσότητα ενέργειας που μεταφέρει. Στο δεύτερο κεφάλαιο κατηγοριοποιούμε όλο το φάσμα της μη ιονίζουσας ακτινοβολίας με βάση τις κυριότερες βιολογικές επιπτώσεις αυτής στον ανθρώπινο οργανισμό, περιγράφουμε αναλυτικά τις έννοιες των θερμικών και μη θερμικών βιολογικών επιπτώσεων, κατηγοριοποιούμε τις βιολογικές επιπτώσεις στον ανθρώπινο οργανισμό που προκύπτουν ως αποτέλεσμα βιολογικών θερμικών και μη θερμικών επιπτώσεων και αναλύουμε την έννοια του ρυθμού ειδικής απορρόφησης (SAR). Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφουμε αναλυτικά τα υφιστάμενα όρια επικινδυνότητας, με βάση τις θερμικές και μη θερμικές βιολογικές επιπτώσεις στον ανθρώπινο οργανισμό, για έκθεση του γενικού πληθυσμού και των εργαζομένων σε πεδία από 0 Hz έως 300 GHz της ICNIRP, του ANSI, στην Ευρωπαϊκή Ένωση, στην Ελλάδα και σε διάφορες χώρες της ανατολικής Ευρώπης. Ακόμα, αναφέρουμε συλλογικά και ατομικά μέτρα που μπορούν να εφαρμοστούν για την προστασία των εργαζομένων από διάφορους κινδύνους που συνδέονται με έκθεση σε ηλεκτρικό/μαγνητικό/ηλεκτρομαγνητικό πεδίο από 0 Hz έως 300 GHz. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναφέρουμε τις εξισώσεις του Maxwell στο πεδίο του χρόνου και στο πεδίο της συχνότητας, περιγράφουμε αναλυτικά τους τρεις κυριότερους τύπους ηλεκτρομαγνητικού κύματος, με βάση τα μέτωπα κύματος, οι οποίοι προκύπτουν ως λύσεις της διαφορικής εξίσωσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος για το κενό στο πεδίο του χρόνου, αναφέρουμε τα δύο είδη διπολικών vi πηγών που υπάρχουν στον ηλεκτρομαγνητισμό και αναλύουμε την έννοια της πυκνότητας ισχύος του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Στο πέμπτο κεφάλαιο αναφέρουμε τα γενικά χαρακτηριστικά του λογισμικού CAE που χρησιμοποιήθηκε στη συγκεκριμένη προσομοίωση και στη συνέχεια εστιάζουμε στον τρόπο με τον οποίο επιλύονται προβλήματα ηλεκτρομαγνητισμού, που αφορούν διάδοση και σκέδαση ενός τρισδιάστατου ηλεκτρομαγνητικού κύματος, με το συγκεκριμένο λογισμικό. Ακόμα, περιγράφουμε αναλυτικά όλα τα βήματα που ακολουθήσαμε και τις παραμέτρους που χρησιμοποιήσαμε στη συγκεκριμένη προσομοίωση (από το σχεδιασμό της γεωμετρίας του δωματίου της προσομοίωσης μέχρι τα αποτελέσματα της προσομοίωσης), καθώς επίσης και το πρόβλημα που αντιμετωπίσαμε σε αυτήν. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε όλα τα αποτελέσματα των διαφόρων περιπτώσεων της προσομοίωσης και συγκρίνουμε αυτά που προέκυψαν στις διάφορες συχνότητες, με μέγεθος στοιχείου (element) 0,082 m, με τις πειραματικές τιμές του άρθρου που χρησιμοποιήσαμε. Επιπλέον, αναλύουμε όλες τις παρατηρήσεις που κάνουμε επί των παραπάνω αποτελεσμάτων της προσομοίωσης και αναφέρουμε συμπεράσματα που προκύπτουν από αυτές. Ακόμα, προτείνουμε κάποια θέματα για περαιτέρω έρευνα που σχετίζονται με το θέμα της συγκεκριμένης πτυχιακής εργασίας. Τέλος, θα πρέπει να αναφερθεί ότι το σημαντικότερο συμπέρασμα που προκύπτει από την παρούσα πτυχιακή εργασία είναι ότι οι τιμές της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου, της προσομοίωσης του δωματίου με την τομή, ξεπερνούν σε πολλές περιπτώσεις τα διάφορα υφιστάμενα όρια επικινδυνότητας των οργανισμών και κρατών που αναφέρονται στο τρίτο κεφάλαιο, ιδιαίτερα σε κοντινή απόσταση από την πηγή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Measurements of the electric field strength conducted in enclosed spaces containing microwave diathermy devices revealed significant spatial and temporal heterogeneity of the electromagnetic field, as well as significantly higher values than the various risk limits of international organizations and states. In this thesis, we construct a method for simulating the electromagnetic field emitted by an electromagnetic radiation source within an enclosed space, using the boundary element method (BEM), and then we compare the results obtained from it with the experimental values of the article «Microwave diathermy in physiotherapy units: a survey on spatial and time heterogeneity of the electromagnetic field». In general, this thesis is structured into six main chapters. In the first chapter, we begin with the definition of radiation and the determination of its main types, we analyze the concepts of electric, magnetic and electromagnetic field, we describe in detail the concept of electromagnetic radiation and electromagnetic wave and we categorize electromagnetic radiation based on wavelength (in vacuum) or frequency (electromagnetic spectrum), as well as on the amount of energy it carries. In the second chapter, we categorize the entire spectrum of non‑ionizing radiation based on its main biological impacts on the human organism, we describe in detail the concepts of thermal and non‑thermal biological impacts, we categorize the biological impacts on the human organism that arise as a result of biological thermal and non-thermal impacts and we analyze the concept of specific absorption rate (SAR). In the third chapter, we describe in detail the existing risk limits, based on the thermal and non-thermal biological impacts on the human organism, for exposure of the general public and occupational workers to fields from 0 Hz to 300 GHz of ICNIRP, ANSI, in the European Union, in Greece and in various eastern european countries. Furthermore, we mention collective and individual protection measures that can be implemented to protect occupational workers from several risks associated with exposure to an electric/magnetic/electromagnetic field from 0 Hz to 300 GHz. In the fourth chapter, we mention Maxwell’s equations in both the time and frequency domain, we describe in detail the three main types of electromagnetic wave (based on wavefronts), which arise as solutions of the differential equation of the electromagnetic wave for the vacuum in the time domain, we mention the two types of dipole sources present in electromagnetism and we analyze the concept of power density of the electromagnetic wave. In the fifth chapter, we mention the general characteristics of the CAE software used in this simulation and then we focus on how electromagnetism problems are solved with this software, which are related to the propagation and scattering of a three-dimensional electromagnetic wave. Furthermore, we describe in detail all the steps we followed and the parameters we used in this simulation (from designing the geometry of the simulated room to obtaining the results of the simulation), as well as the problem we faced in it. viii In the sixth chapter, we present all the results of the different simulation cases and compare those obtained at different frequencies, using an element size of 0,082 m, with the experimental values of the article we used. In addition, we analyze all the observations we make on the above results of the simulation and report conclusions drawn from them. Furthermore, we suggest some topics for further research related to the topic of this thesis. Finally, it should be mentioned that the most important conclusion that emerges from this thesis is that, within the simulated room with the intersection, the values of electric field strength in many cases exceed the various existing risk limits of the organizations and states mentioned in the third chapter, particularly near the electromagnetic radiation source.